Majs, en afgrøde, der dyrkes på hvert kontinent undtagen Antarktis, ligner meget forfader, et vildt græs med hårde kerner, der vokser i dag i det sydvestlige Mexico og kaldes teosinte.
Botanikere har drøftet i næsten et århundrede om kornens oprindelse og troede på et tidspunkt, at den moderne plante var nedstammet fra en uddød vild majs eller noget endnu uopdaget. Genetikere fastlagde imidlertid til sidst i 1990, at majs var relateret til hårdkerneret teosinte, og konkluderede, at den fyldige, saftige plante, vi kender i dag, er den dominerede form af det vilde græs. For mellem 10.000 og 13.000 år siden, sagde forskere, havde landmændene valgt og plantet frøene med gunstige træk, og med tiden blev planten omdannet.
Men i en undersøgelse, der blev offentliggjort i sidste uge i tidsskriftet Quaternary International, delte den Smithsonian-forsker Dolores Piperno, en arkæobotanist, der arbejdede på Smithsonian Tropical Research Institute's feltstation i Gamboa, Panama, en ny "tidsmaskine" -hypotese. Under tidligere miljøforhold, siger hun og hendes kolleger, så teosinte meget anderledes ud end i dag og lignede mere moderne majs end det gør nu. Dette kan kaste lys over, hvorfor de tidlige landmænd valgte at dyrke det.
Under tidligere miljøforhold siger Piperno (med moderne teosinte) og hendes kolleger, at Pleistocene-forfæderen til planten så meget anderledes ud end den gør i dag og lignede mere moderne majs. (Matthew Lachniet) ”Vi ved det for mellem 10.000 og 13.000 år siden, ” siger Piperno, ”da jeger-samlere først begyndte at udnytte de vilde forfædre til [dagens] afgrøder, og da de første landmænd faktisk begyndte at dyrke afgrøderne, temperaturen og atmosfærisk CO2 var meget forskellige. ”
Piperno arbejdede sammen med Klaus Winter, som designede et glaskammerdrivhus - tidsmaskinen - fastholdt med sænkede CO2-niveauer og holdt ved lavere temperaturer, der svarede til dem i den sene Pleistocene og tidlige Holocene perioder. Til kontrolformål blev et andet drivhus, der efterlignede dagens miljø, klargjort i nærheden. Piperno og hendes kolleger plantede derefter teosinte i begge kamre.
Det var under undersøgelse af kornens fossile historie og tidligere miljøforhold, at Piperno begyndte at undre sig over, hvordan plantens forfædre kunne have set ud i den sene Pleistocen og det tidlige Holocene, da de først blev høstet og derefter dyrket. Dengang var temperaturen 3, 5 til 5, 4 grader køligere end den er i dag, og atmosfærisk CO2 svævede i niveauer omkring 260 dele pr. Million. Senere, under den industrielle revolution, ville CO2 stige til dagens 405 dele pr. Milliard, det niveau, hvor den høje, forgrenede teosinte-plante nu vokser.
Den majslignende fænotype fra "tidsmaskine" -kammeret (A) har en enkelt kvast, der afslutter hovedstammen, og kvindelige ører vises langs hovedstammen (pilene). Indsatsen øverst til højre er en nærbillede af et af de kvindelige ører. Moderne teosinte, der er dyrket i kontrolkammeret (B), har mange lange, primære laterale grene (eksempel, øverste hvide pil) afsluttet med kvaster (sort pil). Uudviklede kvindelige ører kan ses på de sekundære laterale grene (hvide pile). (Irene Holst, STRI) Piperno var interesseret i undersøgelser, der undersøgte, hvordan fremtidige CO2- og temperaturstigninger kunne fremkalde noget, der kaldes ”fænotypisk plasticitet”, eller ændringer i plantens udseende som reaktion på dets miljø. Fænotypisk plasticitet kan få to genetisk identiske organismer til at se forskellige ud, hvis de dyrkes under separate forhold.
I ”tidsmaskinen” var Piperno og Klaus fascinerede af at finde ud af, at teosinteplanterne voksede tættere på det majs, vi dyrker og spiser i dag. Mens dagens teosinte har adskillige kvistede grene med ører, der vokser på sekundære grene, havde drivhusplanterne en enkelt hovedstamme toppet af en enkelt kvast, samt flere korte grene med ører. Og frøene var også forskellige: i modsætning til vilde teosintefrø, der modnes i rækkefølge, modnes alle frøene i forsøgsplanterne alle på samme tid, svarende til majskerner eller frø. Dagens teosintefrø er indkapslet i stramme vegetative bracts, men tidsmaskinen producerede planter med frøkerner, der blev udsat.
Ifølge Piperno ville færre grene sammen med let synlige frø have gjort teosinte til en lettere afgrøde at høste. Disse egenskaber - der tidligere blev antaget at stamme fra menneskelig udvælgelse og domestisering - kunne have været ansporet gennem miljøændringer, der inducerede fænotypisk plasticitet.
Inde i tidsmaskinkammeret blev teosinte dyrket under forhold, som det måske var stødt på for 10.000 år siden. (Irene Holst, STRI) Det ser ud til, at miljøet spillede en "betydelig, hvis serendipitøs" rolle i fokus på teosinte til dyrkning, siger Piperno. Majslignende funktioner "gav de tidlige landmænd et forspring."
Daniel Sandweiss, professor i antropologi og kvartær- og klimastudier ved University of Maine, har udført omfattende forskning om tidlige klimaændringer i Latinamerika. Han kaldte Pipernos eksperiment "banebrydende" og sagde, at han troede, at det "ville blive en model for en hel række studier."
Piperno, Klaus og deres team var også interesseret i at se, hvordan en mærkbar stigning i temperatur og CO2, der opstod mellem de sene Pleistocene- og Holocene-epoker, kan have påvirket planteproduktiviteten og kunne hjælpe med at forklare en mulig årsag til, hvorfor landbruget begyndte i løbet af denne tid og ikke før.
Under Pleistocene var CO2-niveauerne i atmosfæren endnu lavere end i Holocene - mindst med en tredjedel - og temperaturen var 5 til 7 grader køligere. Pleistocen-æraens CO2-niveauer og temperaturer var begrænsende faktorer for plantevækst, konkluderede Piperno, som havde set tidligere forskning antydede, at voksende planter i et lavt CO2-miljø med lav temperatur hæmmede fotosyntesen og sænkede frøudbytte.
Majs vilde forfader, teosinte, vises vokser under moderne (kammer til venstre) og under fortid (kammer til højre) klimaforhold. Smithsonian-forskere Dolores Piperno (til højre) med Irene Holst. (Sean Mattson) Pipernos egne resultater gentog tidligere undersøgelser; teosinte dannede også flere frø i kammeret med varmere temperatur og øgede C02. Disse fænomener gjorde måske landbruget for første gang til en bæredygtig praksis for at fodre familier. Anlæggets øgede produktivitet, siger Piperno, gjorde landbrug til "en god tilpasningsstrategi."
”Resultaterne er overraskende, ” siger Sandweiss, der bemærkede, at teosinte's udseende havde længe svækket forskere. Efter at have set, hvordan teosinte så ud i Pleistocen-vækstbetingelser, begyndte dens forhold til majs at "gøre meget mere fornuftigt."
Sandweiss bemærkede, at Pipernos eksperiment muligvis også hjælper forskere og arkæologer med at forstå processen og tidspunktet for afgrødestamling over hele kloden. Hvede, byg og ris har måske også oplevet fænotype ændringer og øget produktivitet i de sene Pleistocene og tidlige Holocene epoker. At spore denne proces kan muligvis forklare, "som det ser ud til med majs, hvorfor folk valgte den bestemte art og ikke andre, og hvorfor processen med domestisering fandt sted, da den gjorde det."
Piperno planlægger at fortsætte sin forskning ved at gennemføre kunstige selektionsundersøgelser og dyrke flere generationer af planter for at observere arven fra de inducerede, majslignende fænotyper. Hun siger, at fænotypisk plasticitet er ved at blive en vigtig del af, hvad forskere kalder ”den nye moderne syntese” - hvilket udvider, hvordan forskere ser miljøets virkning på evolutionære ændringer.
”Vi har dybest set åbnet et vindue, ” siger Piperno.
